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高速數控鑽床伺服系統說(shuō)明和特點

作(zuò)者:華正機(jī)械 發布時間:2023-12-20 15:04:21 浏覽次數:53次

高速數控鑽床伺服系統主要由三部分(fēn)組成:控制器、功率驅動裝置、反饋裝置和電動機(jī)。控制器按照(zhào)數控系統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差,調節控制量;功率驅動裝置作(zuò)爲系統的主回路(lù),一方面按控制量的大(dà)小将電網中的電能作(zuò)用到電動機(jī)之上,調節電動機(jī)轉矩的大(dà)小,另一方面按電動機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換爲電動機(jī)所需的交流電或直流電;電動機(jī)則按供電大(dà)小拖動機(jī)械運轉。如(rú)根據驅動電動機(jī)的類型,可(kě)将其分(fēn)爲直流伺服和交流伺服;根據控制器實現方法的不同,可(kě)将其分(fēn)爲模拟伺服和數字伺服;根據控制器中閉環的多少,可(kě)将其分(fēn)爲開環控制系統、單環控制系統、雙環控制系統和多環控制系統。進給伺服以高速數控鑽床的各坐(zuò)标爲控制對象,産生(shēng)高速數控鑽床的切削進給運動。爲此,要求進給伺服能調節坐(zuò)标軸的運動速度,并能地進行位置控制。具體(tǐ)要求其調速範圍寬、位移、穩定性好、動态響應快(kuài)。根據系統使用的電動機(jī),進給伺服可(kě)細分(fēn)爲步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

(一)步進伺服系統

高速數控鑽床步進伺服是一種用脈沖信号進行控制,并将脈沖信号轉換成相(xiàng)應的角位移的控制系統。其角位移與脈沖數成正比,轉速與脈沖頻率成正比,通過改變脈沖頻率可(kě)調節電動機(jī)的轉速。如(rú)果停機(jī)後某些繞組仍保持通電狀态,則系統還(hái)具有自(zì)鎖能力。步進電動機(jī)每轉一周都(dōu)有固定的步數,如(rú)500步、1000步、50000步等等,從(cóng)理(lǐ)論上講其步距誤差不會累計(jì)。步進伺服結構簡單,符合系統數字化發展需要,但(dàn)精度差、能耗高、速度低,且其功率越大(dà)移動速度越低。特别是步進伺服易于失步,使其主要用于速度與精度要求不高的經濟型高速數控鑽床及舊設備改造。但(dàn)近年(nián)發展起來(lái)的恒斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術(shù),使得(de)步進電動機(jī)的高、低頻特性了很大(dà)的提高,特别是随着智能超微步驅動技術(shù)的發展,将把步進伺服的性能提高到一個新的水平。

(二)直流伺服系統

高速數控鑽床直流伺服的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)是建立在電磁力定律基礎上。與電磁轉矩相(xiàng)關的是互相(xiàng)獨立的兩個變量主磁通與電樞電流,它們分(fēn)别控制勵磁電流與電樞電流,可(kě)方便地進行轉矩與轉速控制。另一方面從(cóng)控制角度看(kàn),直流伺服的控制是一個單輸入單輸出的單變量控制系統,經典控制理(lǐ)論适用于這種系統,因此,直流伺服系統控制簡單,調速性能優異,在高速數控鑽床的進給驅動中曾占據着主導地位。然而,從(cóng)實際運行考慮,直流伺服電動機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高,故障多,維護困難,經常因碳刷産生(shēng)的火(huǒ)花而影(yǐng)響生(shēng)産,并對其他(tā)設備産生(shēng)電磁幹擾。同時機(jī)械換向器的換向能力,限制了電動機(jī)的容量和速度。電動機(jī)的電樞在轉子上,使得(de)電動機(jī)效率低,散熱(rè)差。爲了換向能力,減小電樞的漏感,轉子變得(de)短(duǎn)粗,影(yǐng)響了系統的動态性能。

(三)交流伺服系統

針對直流電動機(jī)的缺陷,如(rú)果将其做"裡(lǐ)翻外"的處理(lǐ),即把電驅繞組裝在定子、轉子爲永磁部分(fēn),由轉子軸上的編碼器測出磁極位置,就(jiù)構成了永磁無刷電動機(jī),同時随着矢量控制方法的實用化,使交流伺服系統具有良好的伺服特性。其寬調速範圍、高穩速精度、動态響應及四象限運行等良好的技術(shù)性能,使其動、靜(jìng)态特性已可(kě)與直流伺服系統相(xiàng)媲美。同時可(kě)實現弱磁高速控制,拓寬了系統的調速範圍,适應了伺服驅動的要求。

目前,在高速數控鑽床進給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統,有三種類型:模拟形式、數字形式和軟件(jiàn)形式。模拟伺服用途單一,隻接收模拟信号,位置控制通常由上位機(jī)實現。數字伺服可(kě)實現一機(jī)多用,如(rú)做速度、力矩、位置控制。可(kě)接收模拟指令和脈沖指令,各種參數均以數字方式設定,穩定性好。具有較豐富的自(zì)診斷、報警功能。軟件(jiàn)伺服是基于微處理(lǐ)器的全數字伺服系統。其将各種控制方式和不同規格、功率的伺服電機(jī)的監控程序以軟件(jiàn)實現。使用時可(kě)由用戶設定代碼與相(xiàng)關的數據即自(zì)動進入工(gōng)作(zuò)狀态。配有數字接口,改變工(gōng)作(zuò)方式、更換電動機(jī)規格時,隻需重設代碼即可(kě),故也稱伺服。

交流伺服已占據了高速數控鑽床進給伺服的主導地位,并随着的發展而不斷完善,具體(tǐ)體(tǐ)現在三個方面。一是系統功率驅動裝置中的電力電子器件(jiàn)不斷向高頻化方向發展,智能化功率模塊普及與應用;二是基于微處理(lǐ)器嵌入式平台技術(shù)的成熟,将控制算法的應用;三是網絡化制造模式的推廣及現場總線技術(shù)的成熟,将使基于網絡的伺服控制成爲可(kě)能。

(四)直線伺服系統

直線伺服系統采用的是一種直接驅動方式(Direct Drive),與傳統的旋轉傳動方式相(xiàng)比,特點是取消了電動機(jī)到工(gōng)作(zuò)台間的機(jī)械中間傳動環節,即把機(jī)床進給傳動鏈的長度縮短(duǎn)爲零。這種"零傳動"方式,帶來(lái)了旋轉驅動方式無法達到的性能指标,如(rú)加速度可(kě)達3g以上,爲傳統驅動裝置的10~20倍,進給速度是傳統的4~5倍。從(cóng)電動機(jī)的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)來(lái)講,直線電動機(jī)有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式;而從(cóng)結構來(lái)講,又有動圈式、動鐵式、平闆型和圓筒型等形式。目前應用到數控機(jī)床上的主要有高頻響小行程直線電動機(jī)與大(dà)推力長行程直線電動機(jī)兩類。直線伺服是高速高精數控機(jī)床的理(lǐ)想驅動模式,受到機(jī)床廠(chǎng)家的重視,技術(shù)發展。

主軸伺服提供加工(gōng)各類工(gōng)件(jiàn)所需的切削功率,因此,隻需完成主軸調速及正反轉功能。但(dàn)當要求高速數控鑽床有螺紋加工(gōng)、準停和恒線速加工(gōng)等功能時,對主軸也提出了相(xiàng)應的 位置控制要求,因此,要求其輸出功率大(dà),具有恒轉矩段 及恒功率段,有準停控制,主軸與進給聯動。與進給伺服 一樣,主軸伺服經曆了從(cóng)普通三相(xiàng)異步電動機(jī)傳動到直流主軸傳動。随着微處理(lǐ)器技術(shù)和大(dà)功率晶體(tǐ)管技術(shù)的進展,現在又進入了交流主軸伺服系統的時代。

(一)交流異步伺服系統

交流異步伺服通過在三相(xiàng)異步電動機(jī)的定子繞組中産生(shēng)幅值、頻率可(kě)變的正弦電流,該正弦電流産生(shēng)的旋轉磁場與電動機(jī)轉子所産生(shēng)的感應電流相(xiàng)互作(zuò)用,産生(shēng)電磁轉矩,從(cóng)而實現電動機(jī)的旋轉。其中,正弦電流的幅值可(kě)分(fēn)解爲給定或可(kě)調的勵磁電流與等效轉子力矩電流的矢量和;正弦電流的頻率可(kě)分(fēn)解爲轉子轉速與轉差之和,以實現矢量化控制。

交流異步伺服通常有模拟式、數字式兩種方式。與模拟式相(xiàng)比,數字式伺服加速特性近似直線,時間短(duǎn),且可(kě)提高主軸定位控制時系統的剛性和精度,操作(zuò)方便,是高速數控鑽床主軸驅動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問(wèn)題:一是轉子發熱(rè),效率較低,轉矩密度較小,體(tǐ)積較大(dà);二是功率因數較低,因此,要獲得(de)較寬的恒功率調速範圍,要求較大(dà)的逆變器容量。

(二)交流同步伺服系統

近年(nián)來(lái),随着永磁體(tǐ)的和性能的不斷提高,使得(de)采用永磁同步調速電動機(jī)的交流同步伺服系統的性能日(rì)益突出,爲解決交流異步伺服存在的問(wèn)題帶來(lái)了希望。與采用矢量控制的異步伺服相(xiàng)比,永磁同步電動機(jī)轉子溫度低,軸向連接位置,要求的冷(lěng)卻條件(jiàn)不高,對高速數控鑽床環境的溫度影(yǐng)響小,容易達到的低限速度。即使在低限速度下,也可(kě)作(zuò)恒轉矩運行,特别适合切削加工(gōng)。同時其轉矩,轉動慣量小,動态響應特性好,特别适合高生(shēng)産率運行。較容易達到很高的調速比,允許同一高速數控鑽床主軸具有多種加工(gōng)能力,既可(kě)以加工(gōng)像鋁一樣的低硬度材料,也可(kě)以加工(gōng)很硬很脆的合金,爲高速數控鑽床進行切削創造了條件(jiàn)。

(三)電主軸

電主軸是電動機(jī)與主軸融合在一起的産物,它将主 軸電動機(jī)的定子、轉子直接裝入主軸組件(jiàn)的内部,電動機(jī)的轉子即爲主軸的旋轉部分(fēn),由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機(jī)的連接,實現了主軸系統的一體(tǐ)化、"零傳動"。因此,其具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動态特性好等優點,并可(kě)高速數控鑽床的動平衡,避免振動和噪聲,在速切削高速數控鑽床上了廣泛的應用。從(cóng)理(lǐ)論上講,電主軸爲一台高速電動機(jī),其既可(kě)使用異步交流感應電動機(jī),也可(kě)使用永磁同步電動機(jī)。電主軸的驅動一般使用矢量控制的變頻技術(shù),通常内置一脈沖編碼器,來(lái)實現廂位控制及與進給的準确配合。由于電主軸的工(gōng)作(zuò)轉速,對其散熱(rè)、動平衡、潤滑等提出了的要求。在應用中妥善解決,才能電主軸高速運轉和加工(gōng)。

高速數控鑽床

作(zuò)爲高速數控鑽床的重要功能部件(jiàn),伺服系統的特性一直是影(yǐng)響系統加工(gōng)性能的重要指标。圍繞伺服系統動态特性與靜(jìng)态特性的提高,近年(nián)來(lái)發展了多種伺服驅動技術(shù)。可(kě)以預見(jiàn)随着速切削、超加工(gōng)、網絡制造等制造技術(shù)的發展,具有網絡接口的全數字伺服系統、直線電動機(jī)及高速電主軸等将成爲高速數控鑽床行業的關注的熱(rè)點,并成爲伺服系統的發展方向。伺服系統是以機(jī)械運動的驅動設備,電動機(jī)爲控制對象,以控制器爲核心,以電力電子功率變換裝置爲執行機(jī)構,在自(zì)動控制理(lǐ)論的指導下組成的電氣傳動自(zì)動控制系統。這類系統控制電動機(jī)的轉矩、轉速和轉角,将電能轉換爲機(jī)械能,實現運動機(jī)械的運動要求。具體(tǐ)在高速數控鑽床中,伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令,經變換、放(fàng)調與整大(dà)後,由電動機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構驅動高速數控鑽床坐(zuò)标軸、主軸等,帶動工(gōng)作(zuò)台及刀架,通過軸的聯動使刀具相(xiàng)對工(gōng)件(jiàn)産生(shēng)各種複雜的機(jī)械運動,從(cóng)而加工(gōng)出用戶所要求的複雜形狀的工(gōng)件(jiàn)。作(zuò)爲高速數控鑽床的執行機(jī)構,伺服系統将電力電子器件(jiàn)、控制、驅動及保護等集爲一體(tǐ),并随着數字脈寬調制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現代控制技術(shù)的進步,經曆了從(cóng)步進到直流,進而到交流的發展曆程。

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